CN102747303A - 一种屈服强度1100MPa级高强度钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种屈服强度1100MPa级高强度钢板及其制造方法，其成分重量百分比为：C：0.15~0.25%、Si：0.10~0.50%、Mn：0.60~1.20%、P≤0.013%、S≤0.003%、Cr：0.20~0.55%、Mo：0.20~0.70%、Ni：0.60~2.00%、Nb：0~0.07%、V：0~0.07%、B：0.0006~0.0025%、Al：0.01~0.08%、Ti：0.003~0.06%、H≤0.00018%、N≤0.0040%、O≤0.0030%，其余为Fe和不可避免的杂质，且碳当量满足CEQ≤0.60%。采用淬火加回火热处理，获得回火马氏体组织。本发明钢板的屈服强度≥1100MPa、抗拉强度≥1250MPa、夏氏冲击功Akv（-40℃）≥50J，且具有良好的强韧性。

Description

一种屈服强度1100MPa级高强度钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及具有良好低温韧性的超高强度钢板，具体涉及屈服强度1100MPa级高强度钢板及其制造方法。

背景技术

高强度钢板应用与煤矿机械如煤矿液压支架等、工程机械如履带式起重机、工程起重机和混凝土泵车等和船用大型浮吊等装备。机械结构通常在大负荷及复杂环境中服役，因此机械结构用高强度钢板要求钢板有较高的强度和良好的低温韧性。目前欧标EN10025和国标16270涉及的高强度钢板，其屈服强度最高达到960MPa。目前超大型工程机械如大吨位的履带式起重机和工程起重机等，均需使用屈服强度1100MPa级钢板。

选取适当的化学成分，结合优化的控制轧制控制冷却或淬火回火工艺，可生产满足机械制造用户需求的高强度钢板。采用控轧控冷方式生产高强度钢板，在轧制和冷却过程中控制难度较大，影响钢板力学性能的整体均匀性。采用淬火回火工艺生产高强度钢板，通过合金元素和碳元素的含量提高钢板的淬透性，使钢板在冷却过程中形成马氏体组织。马氏体是碳固溶在铁原子体心立方晶格中，使bcc晶格沿c轴方向延伸形成的正方晶格，此类的组织具有较高的强度和硬度。马氏体以切边相变方式形成，相变的前沿为一列滑动位错，切边会造成表面浮凸效应，由晶体切边造成马氏体组织应变贮存能较大，达到1000J/mol甚至更高。切边形成的马氏体组织细小，马氏体片层之间缺陷密度较大。较大的缺陷密度是微裂纹形合长大源，在受力作用下可形成微裂纹，微裂纹长大使得钢板并沿晶界迅速断裂，因此具有马氏体组织的高强度钢板的低温冲击功较低。因此，需通过优化成分和工艺，开发具有良好强韧性匹配的高强度钢板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种屈服强度1100MPa级超高强度钢板及其制造方法，采用调质热处理工艺，屈服强度达1100MPa级的超高强度钢板，该钢板具有良好的低温韧性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种屈服强度1100MPa级高强度钢板，其化学成分重量百分比为：

C：0.15~0.25%

Si：0.10~0.50%

Mn：0.60~1.20%

P：≤0.013%

S：≤0.003%

Cr：0.20~0.55%

Mo：0.20~0.70%

Ni：0.60~2.00%

Nb：0~0.07%

V：0~0.07%

B：0.0006~0.0025%

Al：0.01~0.08%

Ti：0.003~0.06%

H：≤0.00018%

N≤0.0040%

O≤0.0030%

其余为Fe和不可避免的杂质，

且，碳当量CEQ≤0.60%；获得回火马氏体组织，钢板的屈服强度≥1100MPa、抗拉强度≥1250MPa、夏氏冲击功Akv（-40℃）≥50J。

在本发明成分设计中：

C：C填加到钢中，提高钢板的淬透性，使钢板在淬火冷却过程中形成硬度较高的马氏体组织。C含量提高，则马氏体硬度增加，相应地钢板的强度增加，但会导致韧性下降。C含量增加，会导致钢板的焊接性能变差，综合强韧性和焊接性能，本发明专利中，设定碳含量为0.15~0.25%。

Si：Si在钢中以置换方式替代Fe原子，阻碍位错运动，提高钢板的强度性能。Si可降低C在铁素体的中扩散能力，因此在回火时适量的Si可避免形成粗大的碳化物在缺陷处析出。Si含量较高会恶化钢板的焊接性能。因此对钢板本发明中的Si含量控制为Si：0.10~0.50%。

Mn：Mn是弱碳化物形成元素，钢中的Mn主要以固溶形式存在。钢板在淬火过程中，Mn会抑制扩散型相变，提高钢板的淬透性，形成细化的马氏体组织，此类组织具有良好的强韧性匹配。Mn含量较高会导致钢板中有Mn偏析，恶化钢板内部组织，同时可能形成较大的MnS夹杂，导致超声波探伤不合。本发明中加入0.60~1.20%的Mn，有利于提高钢板的淬透性，并减小中心偏析对钢板的影响。

P：钢中P在晶界偏聚，会降低晶界的结合能，降低钢板的低温冲击性能。P和Mn共同存在会加剧钢的回火脆性。在晶界偏聚的P会使钢板在受到冲击载荷的作用时发生沿晶断裂，形成较大的解理面，降低钢板在受到冲击时吸收的能量。P会恶化钢的焊接性能，因此对于焊接而言，需要尽量低的P含量来保证焊接性。本发明中加入不超过0.013%的P，保证超高强度钢板有良好的低温冲击性能。

S：S在δ铁素体和奥氏体中的溶解度很小，在钢液凝固过程中，S会发生偏聚，形成较多的硫化物夹杂，危害钢板的超声波探伤性能和低温冲击性能。焊接过程中，S容易导致热裂纹，同时由于S易氧化，生成SO₂气体逸出，在焊接金属中产生气孔和疏松。本发明中加入不超过0.003%的S，保证钢板具有良好的低温冲击性能及强韧性匹配。

Cr：Cr填加到钢中，会抑制钢板的扩散型相变，提高钢板的淬透性，形成硬化的马氏体组织，获得具有较高强度的钢板。Cr含量过高，会导致钢板的焊接性能降低，因此本发明中加入0.20~0.55%的Cr，保证钢板的强度和焊接性能。

Mo：Mo会提高钢板的淬透性，使钢板在淬火过程中形成马氏体。如果淬火速度较快，且在较低温度范围回火，则Mo主要以固溶形式存在于钢中，起到固溶强化效果。钢中填加一定含量的Mo，会提高钢板的强度，而不会恶化钢板的低温冲击性能，但较高的Mo会恶化钢板焊接性能，因此本发明专利中加入0.20-0.70%的Mo，以获得强韧性和焊接性能的匹配。

Nb：Nb加入钢中，起到对钢板再结晶的抑制作用，使钢板在较低温度再结晶，细化奥氏体，从而达到细化最终组织的目的。Nb含量较高，会在晶界处形成较粗大的NbC颗粒，导致钢板的低温冲击性能恶化。配合其它合金元素，本发明中加入0~0.07%的Nb以保证钢板的力学性能。

Ni：Ni在钢中以固溶形式存在，在本发明的成分体系中，Ni以Fe-Ni-Mn的FCC相存在，降低层错能，提高钢板的低温冲击性能。Ni属于贵重金属，较高的Ni含量会导致钢板生产成本增加，因此本发明中加入0.60~2.00%的Ni以保证钢板的力学性能和具有较低成本。

V：V与C形成VC，细小的VC会对位错起到一定的阻碍作用，提高钢板的强度，但V含量较多会形成粗化的VC颗粒，降低钢板的冲击性能，本发明中结合其它合金元素，加入0~0.07%的V以保证钢板的力学性能。

B：合金元素B会提高钢板的淬透性，使钢板在淬火冷却时更容易形成细化的马氏体组织，提高钢板的力学性能。B含量过高，会导致较多的B在晶界富集，降低晶界结合能，导致钢板的低温冲击韧性降低。因此，本发明中B的加入量为0.0006~0.0025%。

Al：Al在炼钢时形成细小的AlN析出，在随后的冷却过程中抑制奥氏体晶粒长大，达到奥氏体细化晶粒、提高钢在低温下的韧性的目的。Al含量过高会导致较大的Al的氧化物形成，使钢板超声波探伤不合，因此本发明中加入0.01~0.08%的Al提高钢板的韧性。

Ti：。Ti与钢中的C和N形成化合物，TiN的形成温度为1400℃以上，通常在液相或δ铁素体中析出，实现细化奥氏体晶粒的目的。Ti含量过高，会形成粗大的TiN析出，导致钢板的冲击性能和疲劳性能降低，因此本发明中的Ti含量控制在0.003~0.06%。

H：H受到钢板中刃型位错静水压力场的作用，会在缺陷处聚集，形成氢脆。强度级别1100MPa及以上钢板中，缺陷较多，如H含量过高，则在钢板淬火和回火热处理后，缺陷处富集较多的H原子，形成H分子，导致钢板发生延迟断裂，因此本发明中的H含量控制在不超过0.00018%。

N，O：N在钢种形成AlN或TiN，起到细化奥氏体晶粒的作用，但N含量增减会导致其在缺陷处富集，影响钢板低温冲击功，因此N含量控制在不超过0.0040%。O与钢种的Al形成Al₂O₃、TiO等，为保证钢板组织均匀性和低温冲击功，O含量不超过0.0030%。

碳当量与钢板的焊接性能有密切关系，通常采用公式CEQ＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，计算钢板的碳当量。为保证钢板的焊接性能，本发明钢板碳当量CEQ≤0.60%。

本发明化学成分涉及采用优化的成分体系，合理利用的合金元素的作用，例如在提高碳含量时，采用低Mn、Ni等合金元素以保证碳当量不大于0.60%。Cr、Mo和Ni元素优化控制，以获得强韧性的良好匹配。控制P、S、N、O和H的含量，保证钢板的低温冲击韧性。生产具有较好焊接性能和强韧性匹配的屈服强度1100MPa级高强度钢板。

本发明的屈服强度1100MPa级超高强度钢板的制造方法，其包括如下步骤：

4)冶炼、浇铸，

按上述成分冶炼，浇铸采用模铸或连铸成钢坯；

5)加热、轧制，

加热温度1050~1250℃，在轧制过程中，钢坯出加热炉后开始轧制，轧制到指定厚度后空冷或缓冷；

6)淬火、回火

淬火热处理的奥氏体化温度为850~950℃，奥氏体化后采用水淬处理；回火热处理温度160-350℃，回火后空冷。

本发明钢板在1050℃～1250℃加热奥氏体化。加热过程中，Nb、V和Ti的碳氮化物、Cr和Mo的碳化物部分或全部溶解于奥氏体中，在随后的轧制和冷却过程中，Nb、V和Ti形成细小的碳氮化物，钉轧奥氏体晶界，细化钢板轧态组织。Cr和Mo固溶在奥氏体中，提高钢板的淬透性。固溶在奥氏体中的Cr和Mo在淬火时提高马氏体的淬硬性，形成具有细化马氏体板条的高强韧微观组织。

钢板轧制冷却后加热到850~950℃保温后淬火。加热过程中，碳化物形成元素Nb、V、Ti、Cr和Mo的碳氮化物部分溶解。部分未溶解的碳氮化物钉轧奥氏体晶界，避免奥氏体晶粒过于粗大，降低最终钢板的冲击韧性。在淬火冷却过程中，固溶在奥氏体中的合金元素提高钢板的淬透性，使得最终马氏体更加细小，此类组织具有超高强度和良好的韧性。

淬火后的钢板在160~350℃做回火热处理。淬火过程中，钢板发生马氏体相变，形成缺陷密度较大的马氏体组织，钢板内部有较大的应变应变能，内应力分布不均匀。为改善钢板的内应力状态，并保证较好的力学性能，需在合适的温度回火。在本发明所述回火温度范围内，即可降低钢板的内部应力，有利于钢板的后继加工成型，同时可保证钢板具有良好的强韧性。

本发明与现有技术相比：

专利公开号WO 1999005335的高强钢板，采用C：0.05-0.10%和Mn：1.7-2.1%的低碳高Mn成分体系和控轧控冷工艺获得了抗拉强度大于930MPa钢板。

中国专利CN101497971“一种高强度调质钢及其生产方法”，采用C：0.07-0.11%，Mn：1.48-1.60%，Ni：0.18-0.40%的微合金成分体系，采用两阶段轧制、ACC、淬火+回火的工艺路线，开发了屈服强度≥670MPa，抗拉强度≥770MPa的高强度钢板。

以上两个专利的合金元素含量与本发明不同，且本发明所述产品达到的强度性能优于上述专利。

中国专利CN1840723A公开了“屈服强度1100MPa以上超高强度钢板及其制造方法”，此专利采用了低Al的合金成分设计，且规定了较高Mn含量上限，含有合金元素Ca，其它合金元素设计时未考虑其对碳当量的影响。本发明采用较高的Al含量细化晶粒，不含合金元素Ca，规定了N、O、H等间隙原子元素的含量，并通过合适的成分配比，可满足碳当量C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.60%，具有更好的焊接性能。

中国专利CN1840723A采用在线淬火+回火工艺，本发明采用淬火+回火的工艺路线，可生产具有更好组织和力学性能均匀性的钢板，因此本发明从成分设计和工艺设计均优于上述专利。

本发明的屈服强度≥1100MPa，抗拉强度≥1250MPa，均远高于上述发明专利，且碳当量≤0.60%，具有良好的焊接性能，且本发明采用淬火加回火的热处理工艺，成分和工艺均具有创造性。

本发明的有益效果

1、通过合理设计化学成分并结合工艺，开发出屈服强度1100MPa级超高强度钢板，此钢在低温下具有良好韧性。钢板淬火后采用低温回火工艺，消除了钢板的内应力并保证钢板的低温冲击性能。

2、钢板的成分和工艺设计合理，工艺窗口宽松，可以在中厚板产线上实现批量商业化生产。

3、本发明生产的钢板屈服强度≥1100MPa、抗拉强度≥1250MPa、夏氏冲击功Akv（-40℃）≥50J，碳当量≤0.60%。钢板具有超高强度和强韧性匹配，且碳当量较低，具有良好的焊接性能。

附图说明

图1为本发明实施例3钢板的微观组织形貌（500×）照片。

图2为本发明实施例3钢板的微观组织形貌（200×）照片。

具体实施方式

以下用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

本发明钢板实施例的成分见表1。

在加热过程中，加热温度为1050~1250℃。轧制过程时，钢板出炉后开始轧制。冷却过程中，钢板空冷或缓冷。淬火过程中奥氏体化温度为850~950℃。回火温度为160~350℃。

实施例1

按表2所示的化学成分电炉或转炉冶炼，并浇铸成连铸坯或钢锭，将连铸坯或钢锭加热至1050℃，开轧温度为1020℃，道次变形率为5～30%，终轧温度为860℃，成品钢板厚度为8mm。轧制后空冷。淬火加热温度为850℃。回火温度为350℃。

实施例2

实施方式同实施例1，其中加热温度为1080℃，开轧温度为1060℃，道次变形率为5～30%，终轧温度为870℃，成品钢板厚度为10mm。轧制后空冷。淬火加热温度为880℃。回火温度为320℃。

实施例3

实施方式同实施例1，其中加热温度为1110℃，开轧温度为1100℃，道次变形率为5～30%，终轧温度为930℃，成品钢板厚度为12mm。轧制后空冷。淬火加热温度为900℃。回火温度为280℃。

实施例4

实施方式同实施例1，其中加热温度为1150℃，开轧温度为1100℃，道次变形率为5～30%，终轧温度为1050℃，成品钢板厚度为15mm。轧制后空冷。淬火加热温度为910℃。回火温度为240℃。

实施例5

实施方式同实施例1，其中加热温度为1180℃，开轧温度为1110℃，道次变形率为5～30%，终轧温度为990℃，成品钢板厚度为20mm。轧制后空冷。淬火加热温度为920℃。回火温度为200℃。

实施例6

实施方式同实施例1，其中加热温度为1250℃，开轧温度为1200℃，道次变形率为5～30%，终轧温度为1010℃，成品钢板厚度为30mm。轧制后缓冷。淬火加热温度为950℃。回火温度为160℃。

表1实施例化学成分（wt.%）

对本发明实施例1-6的屈服强度1100MPa级高强韧钢板进行力学性能测试，测试结果见表2。

表2本发明实施例1-6的钢板的力学性能

从表2、表3可以看出，本发明涉及的屈服强度1100MPa级超高度韧钢板的屈服强度均≥1100MPa，抗拉强度≥1250MPa，夏氏冲击功Akv（－40℃）≥50J。

参见图1、图2，对实施例3进行微观组织研究的光学显微镜照片，从图1、图2中可以看出，钢板的微观组织是细化的回火马氏体组织。

Claims (2)

1.一种屈服强度1100MPa级高强度钢板，其化学成分重量百分比为：

C：0.15~0.25%

Si：0.10~0.50%

Mn：0.60~1.20%

P：≤0.013%

S：≤0.003%

Cr：0.20~0.55%

Mo：0.20~0.70%

Ni：0.60~2.00%

Nb：0~0.07%

V：0~0.07%

B：0.0006~0.0025%

Al：0.01~0.08%

Ti：0.003~0.06%

H：≤0.00018%

N≤0.0040%

O≤0.0030%

其余为Fe和不可避免的杂质，

且，碳当量CEQ≤0.60%；获得回火马氏体组织，钢板的屈服强度≥1100MPa、抗拉强度≥1250MPa、夏氏冲击功Akv（-40℃）≥50J。

2.如权利要求1所述的屈服强度1100MPa级超高强度钢板的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、浇铸，

按上述成分冶炼，浇铸采用模铸或连铸成钢坯；

2)加热、轧制，

加热温度1050~1250℃，在轧制过程中，钢坯出加热炉后开始轧制，轧制到指定厚度后空冷或缓冷；

3)淬火、回火

淬火热处理的奥氏体化温度为850~950℃，奥氏体化后采用水淬处理；回火热处理温度160~350℃，回火后空冷。

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